1、引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集，并以無(wú)線方式發(fā)送到匯聚（Sink）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)時(shí)地檢測(cè)和采集節(jié)點(diǎn)部署內(nèi)的各種信息（如溫度、濕度、噪聲等）。ZigBee是一種新型的無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有抗干擾、高保密性和自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等特點(diǎn)，非常適合小范圍無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文提岀一種基于Zi gBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布局復(fù)雜、線纜過(guò)多、易老化斷裂等諸多問(wèn)題，給現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)管理帶來(lái)了方便，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。、忙聚節(jié)點(diǎn)、尢心門(mén)r h lTr | i匕飛G h房間二圖1監(jiān)控系統(tǒng)

2、框圖該監(jiān)控系統(tǒng)主要由安裝了監(jiān)控軟件的上位機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)房間中的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線信道連接，匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)控程序通過(guò)RS-232異步串口總線連接。傳感器節(jié)點(diǎn)中包括溫濕度、紅外以及煙霧傳感功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫濕度的周期查詢(xún)，對(duì)煙霧和人體紅外通過(guò)中斷的形式實(shí)時(shí)響 應(yīng)。上位機(jī)的監(jiān)控程序以?xún)?nèi)嵌地圖形式的表格顯示岀各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，可以得知房間中各個(gè)地方的溫濕 度與煙霧紅外狀況。根據(jù)倉(cāng)庫(kù)實(shí)際需要設(shè)置溫濕度的閾值，超過(guò)該閾值節(jié)點(diǎn)以紅色顯示，來(lái)提醒管理員異 常情況。除了溫濕度顯示，上位機(jī)監(jiān)控程序中有紅外和煙霧兩個(gè)按鈕，若檢測(cè)到紅外和煙霧信息，則不停閃爍并發(fā)岀警報(bào)聲。圖2節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的硬

3、件平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)采用 Chipcon公司（已被TI公司收購(gòu)）的CC2430芯片，外圍附加溫濕度傳感器、 紅外煙霧傳感器、電源以及調(diào)試接口，如圖2所示。CC2430是符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4G片上系統(tǒng)芯片（SoC），片內(nèi)集成了工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核、高性能的CC2420射頻收發(fā)器、128KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器和8KB的RAM等。高集成度的特性降低了單片機(jī)數(shù)字電路對(duì)高頻模擬信號(hào)的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。溫濕度傳感器采用SHT10溫濕度傳感器，該傳感器芯片由溫度和濕度探頭、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及雙向I/O串行輸出接口組成。輸出的串行數(shù)據(jù)可達(dá) 14位。紅外傳感

4、器采用 GH-718人體紅外 傳感器，靜態(tài)電流50gA，具有極低的功耗。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧和上位機(jī)監(jiān)控軟件。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三類(lèi)。星型網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都只能與協(xié)調(diào)器（匯聚節(jié)點(diǎn)）通信，且必須在協(xié)調(diào)器的射頻范圍之內(nèi)，協(xié)調(diào)器理論上最多能連接65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)由星型網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由器擴(kuò)展而成，其彈性覆蓋范圍大，路由方式簡(jiǎn)單，能容納更多的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自修復(fù)功 能，一般情況下能自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑提高鏈路質(zhì)量。本監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，節(jié)點(diǎn)位置較為固定，采用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，路由 節(jié)點(diǎn)除了采集數(shù)據(jù)之外還

5、負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。樹(shù)形拓?fù)渲械母鞴?jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳給其上級(jí)的父節(jié)點(diǎn)，直到傳至匯 聚節(jié)點(diǎn)。協(xié)議棧介紹節(jié)點(diǎn)軟件部分以TI公司基于ZigBee 2006 協(xié)議棧的Z-Stack為基礎(chǔ)，通過(guò)添加傳感器采集函數(shù)和 應(yīng)用層函數(shù)完成。Z-Stack協(xié)議棧是以簡(jiǎn)單的任務(wù)輪詢(xún)形式運(yùn)行的，各任務(wù)模塊由各自的時(shí)間標(biāo)志位觸發(fā)。應(yīng)用層循環(huán)中兩個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成溫度和濕度數(shù)據(jù)的讀取，紅外和煙霧事件則以查詢(xún)中斷標(biāo)志位的方式?jīng)Q定是否發(fā)送紅外煙霧信息 按照節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型不同，其工作流程如代徉節(jié)點(diǎn)圖3所示。三類(lèi)節(jié)點(diǎn)工作流程上位機(jī)監(jiān)控軟件上位機(jī)的監(jiān)控軟件用 C+面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編寫(xiě)，內(nèi)含串口驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)串口和匯聚節(jié)點(diǎn)連接，負(fù)責(zé)接收并顯示所采集

6、的數(shù)據(jù)，其界面如圖4所示。圖4上位機(jī)監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)顯示部分內(nèi)嵌倉(cāng)庫(kù)地圖，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際位置在圖中對(duì)應(yīng)擺放，能顯示岀樹(shù)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到煙霧時(shí)，網(wǎng)絡(luò)顯示圖中該節(jié)點(diǎn)變?yōu)榧t色。若某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到紅外信號(hào)，該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)顯示圖中變?yōu)槌壬?。由于?jié)點(diǎn)在內(nèi)嵌地圖中與實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，因而能根據(jù)圖中節(jié)點(diǎn)判斷岀倉(cāng)庫(kù)中岀現(xiàn)紅外或煙霧事件的具體地點(diǎn)。溫度和濕度則通過(guò)右側(cè)的坐標(biāo)圖顯示。圖中能夠顯示倉(cāng)庫(kù)溫度和濕度的平均值隨時(shí)間變化的曲線，縱軸為溫度和濕度的平均值，橫軸為時(shí)間，時(shí)間軸的范圍為24小時(shí)。每隔一個(gè)周期（十分鐘），根據(jù)接收數(shù)據(jù)顯示岀一個(gè)溫濕度曲線。低功耗設(shè)計(jì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，降低功耗是一個(gè)重要因素。雖然倉(cāng)庫(kù)中容

7、易到達(dá)任何位置，但功耗大引起的頻繁更換電池會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)岀于降低功耗的考慮，在Z-Stack協(xié)議棧中引入了 CC2430芯片的休眠機(jī)制。終端節(jié)點(diǎn)每隔十分鐘喚醒一次并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠模式二（PM2）以節(jié)約能量。路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的任務(wù)，沒(méi)有引入休眠機(jī)制。測(cè)試結(jié)果各節(jié)點(diǎn)燒寫(xiě)程序后安放在房間各個(gè)角落，能夠順利組網(wǎng)并發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。直線無(wú)障礙傳輸距離達(dá)到3040米，有障礙（一堵墻）時(shí)能達(dá)到10米，兩種情況下都沒(méi)有丟包發(fā)生。最大通信速率為每秒鐘30個(gè)字節(jié)。終端節(jié)點(diǎn)采用周期休眠形式，整個(gè)周期的實(shí)際電流小于7mA，持續(xù)工作時(shí)間能夠達(dá)到一周,然后由外接充電電源給鋰電池充